在首次提出暗物質來解釋星系團的運動後近一個世紀，物理學家仍然不知道它是由什麼組成的。

圖注：大型星系團包含暗物質和正常物質。所有這些物質的巨大引力扭曲了星系團周圍的空間，導致位於星系團後面的天體發出的光線失真和放大。這種現象稱為引力透鏡。

全世界的研究人員已經建造了數十個探測器，以期發現暗物質。 作為一名研究生，我幫助設計和操作了其中一種探測器，並恰當地命名為HAYSTAC（耶魯大學對軸子 CDM敏感的Haloscope）。但是儘管進行了數十年的實驗工作，科學家們仍未發現暗物質顆粒。

如今，量子計算研究中使用的技術已經為尋求暗物質提供了可能的幫助。 在《自然》雜誌上發表的一篇新論文中，我和HAYSTAC團隊的同事們描述了我們如何使用一些量子手段，將探測器探測暗物質的速度提高了一倍。我們的結果為尋找這種神秘粒子增加了急需的速度提升。

掃描暗物質訊號

來自天體物理學和宇宙學令人信服的證據表明，一種叫做暗物質的未知物質佔宇宙物質的80％以上。理論物理學家提出了許多可以解釋暗物質的新的基本粒子。但是，要確定這些理論中哪一個（如果有的話）是正確的，研究人員需要構建不同的檢測器來測試每個探測器。

圖注：前耶魯大學博士後丹妮爾·斯派勒，現為約翰霍普金斯大學助理教授，記錄了HAYSTAC探測器組裝的過程。

一種著名的理論提出，暗物質是由至今仍被稱為軸子的假設粒子構成的，這些粒子總體表現得像一個以非常特定的頻率在宇宙中振盪的不可見波。軸子探測器（包括HAYSTAC）的工作原理類似於無線電接收器，但它們的目標不是將無線電波轉換為聲波，而是將軸子波轉換為電磁波。具體來說，軸子探測器測量兩個稱為電磁場正交的量。這些正交是存在軸子時會在電磁波中產生的兩種不同的振盪。

尋找軸子的主要挑戰是沒人知道假設軸子波的頻率。想象一下，您在一個陌生的城市中，透過一個頻率的FM頻段來搜尋特定的廣播電臺。 軸子獵人的工作原理大致相同：他們以離散的步長在很寬的頻率範圍內調整探測器。每個步驟只能覆蓋很小範圍的可能軸子頻率，這個很小的範圍就是探測器的頻寬。

調諧收音機通常需要在每一步暫停幾秒鐘，以檢視是否已找到所需的電臺。如果訊號微弱並且有很多靜電，那將很難搜尋到想要的頻道。與隨機電磁波動產生的靜電相比，即使在最靈敏的探測器中，軸子訊號也將變得微弱，物理學家稱之為噪聲。噪聲越大，探測器在每個調諧步驟中停留更長的時間，以偵聽軸子訊號。

不幸的是，研究人員不能指望無線電撥盤轉動幾十圈後再獲取軸子波。FM收音機的音調只能從88兆赫茲調到108兆赫茲（1兆赫茲等於1百萬赫茲）。相比之下，軸子頻率可能介於300赫茲和3000億赫茲之間。按照當今探測器的速度發展，找到軸子或證明它不存在可能需要一萬多年的時間。

壓縮量子噪聲

在HAYSTAC團隊中，我們沒有這種耐心。因此，在2012年，我們著手透過盡一切可能減少噪音的方法來加速軸子搜尋。但是到了2017年，由於量子物理定律（稱為不確定性原理），我們發現自己已經達到了基本的最小噪聲限值。

不確定性原理指出，不可能同時知道某些物理量的精確值——例如，您無法同時知道粒子的位置和動量。回想一下，軸子探測器透過測量兩個正交（即特定型別的電磁場振盪）來搜尋軸子。不確定性原理透過向正交振盪中新增最小量的噪聲來禁止對兩個正交的精確瞭解。

在常規的軸子探測器中，來自不確定性原理的量子噪聲會同等地掩蓋兩個正交。無法消除這種噪音，但是可以使用正確的工具來控制它。我們的團隊找到了一種方法，可以繞過HAYSTAC檢測器中的量子噪聲，減少其對一個正交的影響，同時增加對另一個的影響。這種噪聲處理技術稱為量子壓縮。

在研究生凱莉·貝克斯（Kelly Backes）和丹·帕肯（Dan Palken）的帶領下，HAYSTAC團隊採用了從量子計算研究中借用的超導電路技術，來應對在我們的探測器中實現壓縮的挑戰。通用量子計算機還有很長的路要走，但是我們的新論文表明，這種壓縮技術可以立即加快對暗物質的搜尋。

更大的頻寬，更快地搜尋

我們的團隊成功地消除了HAYSTAC探測器中的噪聲。但是我們如何使用它來加快軸子搜尋的速度呢？

量子壓縮不能在軸子探測器頻寬上均勻地降低噪聲。相反，它在邊緣具有最大的影響。想象一下，您將收音機調至88.3兆赫，但您想要的電臺實際上是在88.1。藉助量子壓縮，您將能夠在一個電臺外聆聽自己喜歡的歌曲。

在無線電廣播的世界中，這將是災難的根源，因為不同的電臺會相互干擾。但是，由於只尋找一個暗物質訊號，因此更寬的頻寬使物理學家可以一次覆蓋更多頻率來更快地進行搜尋。在我們的最新結果中，我們使用壓縮將HAYSTAC的頻寬增加了一倍，從而使搜尋軸子的速度是以前的兩倍。

僅量子壓縮還不足以在合理的時間內掃描所有可能的軸子頻率。但是，將掃描速率提高一倍是朝著正確方向邁出的一大步，我們相信，對量子壓縮系統的進一步改進可能使我們的掃描速度提高10倍。

沒有人知道軸子是否存在，或者它們是否會解決暗物質的奧秘；但是由於量子技術的這一意外應用，我們距離回答這些問題又邁了一步。